蒙脱石表面碱金属离子的亚稳平衡吸附及其特异性效应

离子吸附的亚稳平衡是描述离子交换吸附中实际反应平衡特征及限度的重要理论范式。本研究旨在从理论上推导离子吸附的亚稳态平衡模型,建立离子平衡吸附量与活化能之间的数学关系,探讨碱金属离子亚稳平衡吸附的特异性效应。结合恒流混合置换技术及基于表面静电场理论的离子吸附动力学模型,探究了钾离子(K^(+))、钠离子(Na^(+))、锂离子(Li^(+))三种碱金属离子在铯离子(Cs^(+))-蒙脱石饱和样表面可能存在的亚稳平衡吸附作用;通过开展K^(+)、Na^(+)和Li^(+)在Cs^(+)-蒙脱石表面的吸附动力学实验,对理论模型进行验证。研究结果表明:(1)K^(+)、Na^(+)、Li^(+)在Cs^(+)-蒙脱石饱和样表面表现出显著的亚稳平衡吸附特征,交换离子的吸附活化能(能量势垒)来源于吸附态Cs^(+)的解吸过程;(2)相同离子浓度条件下,表面静电场引起的离子强极化作用导致各离子的亚稳平衡吸附呈现出特异性效应;(3)离子吸附的亚稳平衡受到离子浓度和离子特异性效应的共同影响,离子平衡吸附量与离子吸附速率呈正比例关系。碱金属离子在蒙脱石表面的吸附平衡是亚稳平衡而不是真正的平衡,离子亚稳平衡吸附的存在应归因于活化能对离子吸附动力学的限制。碱金属离子不同的极化效应导致各体系的活化能不同,进一步触发了离子亚稳态平衡吸附的特异性效应。